DE10227278A1 - Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds - Google Patents
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Abstract
Bei einer Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds mit einer Spannungsversorgung (12) und einem mit der Spannungsversorgung (12) und dem Stellglied (20) verbindbaren Steuergerät (14) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Steuergerät (14) zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel (16, 18) zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds (20) aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds mit einer Spannungsversorgung und einem mit der Spannungsversorgung und dem Stellglied verbindbaren Steuergerät.
- Elektromagnetische Stellglieder, wie beispielsweise Relais sind seit Langem bekannt. Ein elektromagnetisches Relais besteht beispielsweise aus einem Elektromagneten, einem Anker und einem Kontaktsatz. Fließt Strom in dem ansteuernden Stromkreis, so bewegt sich der Anker des Elektromagneten, um den elektrischen Kontakt zu schließen oder zu öffnen. Derartige Relais stellen wichtige Bauelemente der Fernmelde- und Steuerungstechnik sowie der Leistungselektronik dar.
- Aufgrund des Schaltens mit mechanisch beweglichen Teilen verursachen solche elektromagnetischen Stellglieder beim Öffnen oder Schließen Geräusche. Diese Geräusche werden zunehmend als Belästigung empfunden, so dass nach Möglichkeiten der Geräuschreduzierung gesucht wird.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch 1 baut auf dem Stand der Technik dadurch auf, dass das Steuergerät zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds aufweist.
- Die Erfindung beruht also auf dem Gedanken, zur Verminderung der Stellgeräusche die Stellgeschwindigkeit zu reduzieren. Diese Stellgeschwindigkeitsreduktion wird erfindungsgemäß durch die Modulation der Ansteuerspannung erreicht.
- Durch die Maßnahme des Anspruchs 2 ist der Vorteil geschaffen, dass die Ansteuerung des Stellglieds mit der minimalen Ansteuerspannung die Stellgeschwindigkeit und damit verbunden auch die Geräuschentwicklung beim Stellvorgang in weitgehendem Umfang reduziert.
- Gemäß Anspruch 3 kann das Stellglied darüber hinaus nach seiner Aktivierung mit der minimalen Haltespannung versorgt werden. Dadurch wird auch beim Ausschalten des Stellglieds eine niedrige Stellgeschwindigkeit sichergestellt.
- Die Maßnahme des Anspruchs 4 erlaubt, das Stellglied beim Einschalten mit einer gegenüber der normalen Batteriespannung reduzierten Spannung anzusteuern, und so in einfacher Weise die Stellgeschwindigkeit und die Geräuschentwicklung beim Stellvorgang abzusenken.
- In diesem Zusammenhang erlaubt die Maßnahme des Anspruchs 5 durch Ansteuerung des Transistors über einen Steuerschaltkreis ein automatisches geschwindigkeitsreduziertes Einschalten des Stellglieds über das Steuergerät.
- Die Maßnahme des Anspruchs 6 bietet in diesem Zusammenhang der Vorteil, auch die reduzierte Ansteuerspannung stabil bereitstellen zu können.
- Gemäß Anspruch 7 wird der Vorteil geschaffen, dass lediglich ein einziger Spannungspegel für die Ansteuerung des Stellglieds bereitgestellt werden muss, da die effektive Ansteuerspannung durch die Pulsweiten des modulierten Spannungsverlaufs gegeben ist.
- Dabei wird gemäß der Maßnahme des Anspruchs 8 der Vorteil verwirklicht, dass auch ohne Spannungsreduktion die Mindesteinschaltspannung und gegebenenfalls auch die minimale Haltespannung eingestellt werden können. Es versteht sich, dass bei Verwendung einer pulsweitenmodu lierten Ansteuerspannung die Pulsweitenmodulationsfrequenz größer als die maximale Stellfrequenz des Stellglieds gewählt wird.
- Die Maßnahmen der Ansprüche 9 und 10 stellen einen einfachen und robusten, rein analog aufgebauten Schaltkreis zur Reduktion der Stellgeschwindigkeit und der Geräuschentwicklung beim Stellvorgang bereit.
- Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben.
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1a zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; -
1b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der1a ; -
2a zeigt ein Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; -
2b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der2a ; -
3a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; -
3b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der3a ; -
4a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; -
4b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der4a ; -
5a zeigt ein Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds; und -
5b zeigt den Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds in dem Ausführungsbeispiel der5a . -
6 zeigt einen weiteren möglichen Verlauf der Ansteuerspannung über der Zeit beim Einschalten des Stellglieds. - Beschreibung der Ausführungsbeispiele
- Das Blockdiagramm der
1a zeigt als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine allgemein mit10 bezeichnete Vorrichtung zur Ansteuerung eines Relais20 . - Das Relais
20 ist über ein Steuergerät14 mit der Stromversorgung12 verbunden. Zum Einschalten wird das Relais20 erfindungsgemäß nicht mit der vollen Batteriespannung26 (1b ), im Ausführungsbeispiel 14 V, sondern über einen Spannungsregler-Schaltkreis18 lediglich mit der Mindesteinschaltspannung22 (1b ) des Relais20 versorgt. Nach dem Einschalten kann die an das Relais20 angelegte Spannung von dem Spannungsregler-Schaltkreis18 weiter bis auf die minimale Haltespannung24 (in1b gestrichelt eingezeichnet) reduziert werden. Die Mindesteinschaltspannung22 und die minimale Haltespannung24 sind von Typ des Relais20 abhängig und betragen im Ausführungsbeispiel 5 V beziehungsweise 3 V. - Der Kraftverlauf beziehungsweise der Mindestansteuerstrom und die Mindestansteuerspannung des Relais
20 werden beim beschriebenen Vorgehen als bekannt vorausgesetzt. Sie sind im Ausführungsbeispiel in der internen Recheneinheit16 gespeichert. Auf Grundlage dieser für das Relais20 gespeicherten Kenngrößen führt die Recheneinheit16 die Steuerung des Spannungsregler-Schaltkreises18 durch. Durch das Einschalten mit der minimalen Ansteuerspannung wird eine reduzierte Stellge schwindigkeit und damit verbunden eine reduzierte Geräuschentwicklung erzielt. Das Ansteuern des Relais20 mit der minimalen Haltespannung24 führt auch beim Ausschalten zu einer niedrigen Stellgeschwindigkeit und somit zu einer geringen Geräuschentwicklung. Der Spannungsregler-Schaltkreis18 kann in diesem Ausführungsbeispiel sowohl digital als auch analog ausgeführt sein. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel wird im Zusammenhang mit den
2a und2b erläutert. Gleiche Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen wie in1a bezeichnet und werden nicht mehr gesondert erläutert. Das Steuergerät34 des zweiten Ausführungsbeispiels enthält neben der Recheneinheit16 einen von dieser gesteuerten Spannungsstabilisator42 , der das Relais20 über die Diode36 mit der Mindesteinschaltspannung44 versorgt, wenn das Relais20 über einen externen Schalter32 eingeschaltet wird. Dazu misst die Recheneinheit16 die Batteriespannung (Bezugszeichen48 ) und steuert den Spannungsstabilisator42 entsprechend der gespeicherten Kenngrößen des Relais20 an. Nach dem Einschalten des Relais20 wird es durch Schließen seines eigenen Schaltkontakts40 über die Diode38 mit der vollen Batteriespannung46 (2b ) versorgt. - Das in den
3a und3b dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem Ausführungsbeispiel der2a und2b mit dem Unterschied, dass anstelle des externen Schalters32 im Steuergerät34 ein Transistor50 vorgesehen ist, der das Relais20 einschaltet. - Dabei wird der Transistor
50 von der Recheneinheit16 angesteuert, wodurch ein automatisches geschwindigkeitsreduziertes Einschalten des Stellglieds ermöglicht wird. - Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nunmehr mit Bezug auf die
4a und4b erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Relais20 mit seinem positiven Anschluss direkt mit der Spannungsversorgung12 verbunden (Bezugszeichen56 ). Die Verbindung des Relais20 zur Masse läuft über den Transistor58 des Steuergeräts54 , der von der Recheneinheit16 pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Die Recheneinheit16 misst dazu die Versorgungsspannung (Bezugszeichen48 ) und berechnet aus den bekannten Kenngrößen des Relais20 die erforderlichen Pulsweiten für die Ansteuerung des Relais20 . - Die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zum Einschalten des Relais
20 wird so gewählt, dass sie einen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Relais20 entspricht. Im Ausführungsbeispiel, bei dem die Mindesteinschaltspannung des Relais 5 V und die Batteriespannung 14 V betragen ergibt sich beispielsweise für den Pulsverlauf der Ansteuerspannung ein Tastverhältnis von 5 zu 9, wie in der4b schematisch beim Pulszug60 dargestellt. Es versteht sich, dass die Frequenz der Pulsweitenmodulation größer als die maximale Stellfrequenz des Stellglieds sein muss, um effektiv eine Mittelung der Ansteuerspannung zu bewirken. - Nach dem Einschalten des Stellglieds wird die Pulsweite der Ansteuerspannung von der Recheneinheit
16 so eingestellt, dass sie einen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds entspricht. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich bei einer minimalen Haltespannung von 3 V dazu ein Tastverhältnis von 3 zu 11, wie in4b durch den Pulszug62 schematisch dargestellt. - Ein weiteres, rein analog aufgebautes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
5a und5b dargestellt. Das Steuergerät74 weist bei diesem Ausführungsbeispiel einen Spannungsregler70 auf, der das Relais20 mit der Mindesteinschaltspannung92 einschaltet. Entsprechend den Kenngrößen des Relais20 wird der Verstärkungsfaktor des Spannungsreglers70 aber die Widerstände76 und78 eingestellt. Die Reihenschaltung des Widerstands80 und der Zenerdiode82 gibt den Mindesteinschaltspannungspegel vor. Nach Einschalten des Relais20 wird durch Schließen des Relais-Schaltkontakts40 der Transistor84 durchgeschaltet. Die Zenerdiode86 , die eine niedrigere Sperrspannung als die Zenerdiode82 aufweist, gibt dann die niedrigere minimale Haltspannung94 vor. - Das Relais
20 wird mit der Bordnetzspannung versorgt. Zur Reduzierung des Schaltgeräusches wird das Relais20 mit einem Vorimpuls mit der Zeit tv101 angesteuert. Die Erregung des Relais20 durch die Impulslänge tv101 ist so groß, so dass die Stärke der Erregung der Erregung mit der Mindestansprechspannung entspricht. Anschließend wird die Versorgung des Relais20 ; innerhalb einer Pause mit der Zeit tp103 abgeschaltet, bevor die eigentliche dauerhafte Einschaltphase105 erfolgt. Die Pause103 ist so groß zu wählen, dass das Relais20 geschaltet hat, so dass keine zusätzliche Beschleunigung der Relaiskontakte erfolgt. Über die Länge des Vorimpulses101 ist eine Mindestanregung des Relais20 sichergestellt. Die anschließende Pause103 verhindert eine weitere Beschleunigung des Kontaktes bis zum Schließen der Kontakte, wonach eine dauerhafte Bestromung105 erfolgt. Die Pause103 wird zweckmäßiger Weise vor dem Schließen der Kontakte beendet, so dass der Kontakt mit größerer Kraft gehalten wird und dadurch die Anzahl der Kontaktprellungen verhindert wird.
Claims (12)
- Vorrichtung zur Ansteuerung eines Stellglieds, mit einer Spannungsversorgung (
12 ) und einem mit der Spannungsversorgung (12 ) und dem Stellglied (20 ) verbindbaren Steuergerät (14 ;34 ;54 ;74 ), dadurch gekennzeich net, dass das Steuergerät (14 ;34 ;54 ;74 ) zur Reduzierung der Stellgeschwindigkeit Mittel zur Modulation der Ansteuerspannung des Stellglieds (20 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
14 ) einen Steuerschaltkreis (16 ) und einen Spannungsregler-Schaltkreis (18 ) aufweist, wobei der Steuerschaltkreis (16 ) und der Spannungsregler-Schaltkreis (18 ) zusammenwirken, um das Stellglied (20 ) mit der Mindesteinschaltspannung zu versorgen. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (
16 ) und der Spannungsregler-Schaltkreis (18 ) zusammenwirken, um das Stellglied (20 ) nach seiner Aktivierung mit der minimalen Haltespannung zu versorgen. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
34 ) so ausgelegt und eingerichtet ist, dass es dem Stellglied (20 ) zum Einschalten eine reduzierte Versorgungsspannung liefert und dass es dem Stellglied (20 ) nach dem Einschalten über einen Schaltkontakt (40 ) des Stellglieds (20 ) die volle Versorgungsspannung der Spannungsversorgung (12 ) liefert. - Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
34 ) einen Transistor (50 ) zum Einschalten des Stellglieds (20 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
34 ) einen Spannungsstabilisator (42 ) zum Bereitstellen der reduzierten Versorgungsspannung aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
54 ) einen elektronischen Schalter (58 ) zum Ansteuern des Stellglieds (20 ) und einen Steuerschaltkreis (16 ) zum modulierten Durchschalten des elektronischen Schalters (58 ) aufweist, wobei der Steuerschaltkreis (16 ) und der elektronische Schalter (58 ) zusammenwirken, um dem Stellglied (20 ) eine pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zu liefern. - Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltkreis (
16 ) so eingerichtet ist, dass die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung zum Einschalten des Stellglieds (20 ) einen zeitlichen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Stellglieds (20 ) entspricht, bevorzugt dass der Steuerschaltkreis (16 ) weiter so eingerichtet ist, dass die pulsweitenmodulierte Ansteuerspannung nach dem Einschalten des Stellglieds (20 ) einen zeitlichen Mittelwert aufweist, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds (20 ) entspricht. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
74 ) einen Spannungsregler (70 ) zum Ansteuern des Stellglieds (20 ) aufweist und dass eine erste Zenerdiode (82 ) einen ersten Spannungspegel des Spannungsreglers (70 ) beim Einschalten des Stellglieds (20 ) vorgibt, der im Wesentlichen der Mindesteinschaltspannung des Stellglieds (20 ) entspricht. - Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Zenerdiode (
86 ) vorgesehen ist, die nach dem Einschalten über einen Schaltkontakt (40 ) des Stellglieds (20 ) einen zweiten Spannungspegel des Spannungsreglers (70 ) vorgibt, der im Wesentlichen der minimalen Haltespannung des Stellglieds (20 ) entspricht. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (
34 ) so ausgelegt und eingerichtet ist, dass es dem Stellglied (20 ) über die Länge eines Vorimpulses (101 ) eine Mindesterregung des Stellglieds (20 ) liefert und eine anschließende Pause (103 ) die weitere Beschleunigung des Kontaktes des Stellglieds (20 ) bis zum Schließen des Kontakts verhindert, wonach eine dauerhafte Bestromung (105 ) erfolgt. - Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pause (
103 ) vor dem Schließen des Kontakts des Stellglieds (20 ) beendet wird, so dass der Kontakt mit größerer Kraft gehalten wird und dadurch die Anzahl der Kontaktprellungen minimal ist.
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